二、 進程管理

進程的基本概念

程序的順序執(zhí)行

當前操作執(zhí)行完才能進行后續(xù)操作

• 順序性
• 封閉性
• 可再現(xiàn)性

程序的并發(fā)執(zhí)行

程序的并發(fā)執(zhí)行

• 間斷性
• 失去封閉性
• 不可再現(xiàn)性

程序的并發(fā)執(zhí)行

進程的特征

• 結(jié)構(gòu)特征，每個進程帶有進程控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 動態(tài)性
• 并發(fā)性
• 獨立性
• 異步性

進程的定義

• 進程是程序的一次執(zhí)行
• 進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動。
• 進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位
• 進程是進程實體的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位

進程的三種基本狀態(tài)

• 就緒

• 執(zhí)行

• 阻塞

  
  
  三種基本狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換

• 掛起（第四種狀態(tài)）
  引入掛起的原因：

1. 終端用戶的請求。
2. 父進程請求。
3. 負荷調(diào)節(jié)的需要。
4. 操作系統(tǒng)的需要。

掛起是外界人為強制的，阻塞是硬件資源不足

有了掛起，增加掛起狀態(tài)（又稱靜止狀態(tài)）和非掛起（活動狀態(tài)）
(1) 活動就緒→靜止就緒。
(2) 活動阻塞→靜止阻塞。
(3) 靜止就緒→活動就緒。
(4) 靜止阻塞→活動阻塞。

具有掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)圖

進程的控制塊

控制塊的作用

進程控制塊的作用是使一個在多道程序環(huán)境下不能獨立運行的程序(含數(shù)據(jù))，成為一個能獨立運行的基本單位，一個能與其它進程并發(fā)執(zhí)行的進程。或者說，OS是根據(jù)PCB來對并發(fā)執(zhí)行的進程進行控制和管理的。

控制塊中的基本信息

• 進程的標識符
  進程標識符用于惟一地標識一個進程。一個進程通常有兩種標識符：
  (1) 內(nèi)部標識符。在所有的操作系統(tǒng)中，都為每一個進 程賦予一個惟一的數(shù)字標識符，它通常是一個進程的序號。 設(shè)置內(nèi)部標識符主要是為了方便系統(tǒng)使用。
  (2) 外部標識符。它由創(chuàng)建者提供，通常是由字母、數(shù)字組成，往往是由用戶(進程)在訪問該進程時使用。
• 處理機狀態(tài)
  處理機狀態(tài)信息主要是由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成的。
  ① 通用寄存器，又稱為用戶可視寄存器，它們是用戶程序可以訪問的，用于暫存信息， 在大多數(shù)處理機中，有 8~32 個通用寄存器，在RISC結(jié)構(gòu)的計算機中可超過 100 個；
  ② 指令計數(shù)器，其中存放了要訪問的下一條指令的地址；
  ③ 程序狀態(tài)字PSW，其中含有狀態(tài)信息，控制信息等；
  ④ 用戶棧指針， 指每個用戶進程都有一個或若干個與之相關(guān)的系統(tǒng)棧，用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址。棧指針指向該棧的棧頂。
• 進程的調(diào)度信息
  在PCB中還存放一些與進程調(diào)度和進程對換有關(guān)的信息，包括：
  ① 進程狀態(tài)，指明進程的當前狀態(tài)， 作為進程調(diào)度和對換時的依據(jù)；
  ② 進程優(yōu)先級，用于描述進程使用處理機的優(yōu)先級別的一個整數(shù)， 優(yōu)先級高的進程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機；
  ③ 進程調(diào)度所需的其它信息，它們與所采用的進程調(diào)度算法有關(guān)，比如，進程已等待CPU的時間總和、 進程已執(zhí)行的時間總和等；
  ④ 事件，是指進程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。
• 進程的控制信息
  進程控制信息包括：
  ① 程序和數(shù)據(jù)的地址， 是指進程的程序和數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存或外存地(首)址，以便再調(diào)度到該進程執(zhí)行時，能從PCB中找到其程序和數(shù)據(jù)；
  ② 進程同步和通信機制，指實現(xiàn)進程同步和進程通信時必需的機制， 如消息隊列指針、信號量等，它們可能全部或部分地放在PCB中；
  ③ 資源清單，是一張列出了除CPU以外的、進程所需的全部資源及已經(jīng)分配到該進程的資源的清單；
  ④ 鏈接指針， 它給出了本進程(PCB)所在隊列中的下一個進程的PCB的首地址。

控制塊的組織方式

• 鏈接方式
  系統(tǒng)按照進程的狀態(tài)將進程的PCB組成隊列，從而形成就緒隊列、阻塞隊列、運行隊列等。

  
  
  鏈接方式

• 索引方式
  系統(tǒng)按照進程的狀態(tài)分別建立就緒索引表、阻塞索引表等。

  
  
  索引方式

Linux的進程控制塊：
在創(chuàng)建一個新進程時，系統(tǒng)在內(nèi)存中申請一個空的task_struct區(qū)，即空閑PCB塊，并填入所需信息。同時將指向該結(jié)構(gòu)的指針填入到task[]數(shù)組中。當前處于運行狀態(tài)進程的PCB用指針數(shù)組current_set[]來指出。這是因為Linux支持多處理機系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)可能存在多個同時運行的進程，故current_set定義成指針數(shù)組。

進程控制

進程的創(chuàng)建

進程的創(chuàng)建

進程的終止

引起進程終止(Termination of Process)的事件

1. 正常結(jié)束
2. 異常結(jié)束
   常見的有：① 越界錯誤。② 保護錯。③ 非法指令。④ 特權(quán)指令錯。⑤ 運行超時。⑥ 等待超時。⑦ 算術(shù)運算錯。⑧ I/O故障。
3. 外界干預(yù)(通常人為)

進程的阻塞與喚醒

1. 請求系統(tǒng)服務(wù)
2. 啟動某種操作
3. 新數(shù)據(jù)尚未到達
4. 無新工作可做

進程同步

概念

兩種制約關(guān)系

• 間接相互制約關(guān)系---共享資源 （cpu,I/O設(shè)備）
• 直接相互制約關(guān)系---進程間合作 （進程需要另一進程數(shù)據(jù)，
  比如IE瀏覽器與網(wǎng)卡）

臨界資源

許多硬件資源如打印機，磁帶機等，屬于臨界資源，諸進程采取互斥方式實現(xiàn)對這種資源的共享。

臨界區(qū)

同步機制應(yīng)遵守的規(guī)則

• 空閑讓進。臨界區(qū)空閑，進程進去
• 忙則等待。臨界區(qū)忙，進程等待
• 有限等待。 訪問臨界區(qū)進程，等待不要太長
• 讓權(quán)等待。進程不能進入臨界區(qū)，釋放CPU

信號量機制

整型信號量機制

整型信號量

記錄型信號量機制

記錄型信號量

信號量的應(yīng)用

實現(xiàn)進程互斥

利用信號量實現(xiàn)互斥

利用信號量機制，wait(mutex)和signal(mutex)必須成對出現(xiàn)；
缺少wait(mutex)將導致不能保證對臨界資源互斥訪問；
缺少signal(mutex)將導致臨界資源永遠不被釋放，導致被阻塞進程無法喚醒。

經(jīng)典進程同步問題

生產(chǎn)者-消費者

利用記錄型信號量解決生產(chǎn)者—消費者問題：
假定在生產(chǎn)者和消費者之間的公用緩沖池中，具有n個緩沖區(qū)，這時可利用互斥信號量mutex實現(xiàn)諸進程對緩沖池的互斥使用；利用信號量empty和full分別表示緩沖池中空緩沖區(qū)和滿緩沖區(qū)的數(shù)量。又假定這些生產(chǎn)者和消費者相互等效，只要緩沖池未滿，生產(chǎn)者便可將消息送入緩沖池；只要緩沖池未空，消費者便可從緩沖池中取走一個消息。對生產(chǎn)者—消費者問題可描述如下：

生產(chǎn)者

消費者

首先，在每個程序中用于實現(xiàn)互斥的wait(mutex)和 signal(mutex)必須成對地出現(xiàn)；
其次，對資源信號量empty和full的wait和signal操作， 同樣需要成對地出現(xiàn)，但它們分別處于不同的程序中。例如，wait(empty)在計算進程中，而signal(empty)則在打印進程中，計算進程若因執(zhí)行wait(empty)而阻塞， 則以后將由打印進程將它喚醒；
最后，在每個程序中的多個wait操作順序不能顛倒。應(yīng)先執(zhí)行對資源信號量的wait操作，然后再執(zhí)行對互斥信號量的wait操作，否則可能引起進程死鎖。

高級進程通信

類型

• 共享存儲器系統(tǒng)
  基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信
  基于共享存儲區(qū)域的通信

• 管道通信

• 消息傳遞系統(tǒng)

• 客戶-服務(wù)系統(tǒng)

線程

基本概念

為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)還必須進行以下的一系列操作。
1) 創(chuàng)建進程
2) 撤消進程
3) 進程切換
雖然進程可以提高CPU的利用率，但是進程之間的切換是非常耗費資源和時間的。
為了能更進一步的提高 操作系統(tǒng)的并發(fā)進，引進了線程。
進程是分配資源的基本單位，而線程則是系統(tǒng)調(diào)度的基本單位。一個進程內(nèi)部的線程可以共享該進程的所分配到的資源。線程的創(chuàng)建與撤消，線程之間的切換所占用的資源比進程要少很多。線程切換僅僅保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，切換代價遠遠低于進程。
這個資源，是指進程的代碼段，數(shù)據(jù)段及系統(tǒng)資源，如打開的文件、I/O設(shè)備。

線程的屬性

• 輕型實體。
• 獨立調(diào)度和分派的基本單位。
• 可并發(fā)執(zhí)行。
• 共享進程資源。

線程的創(chuàng)建和終止

在多線程OS環(huán)境下，應(yīng)用程序在啟動時，通常僅有一個線程在執(zhí)行，該線程被人們稱為“初始化線程”。它可根據(jù)需要再去創(chuàng)建若干個線程。
終止線程的方式有兩種：一種是在線程完成了自己的工作后自愿退出；另一種是線程在運行中出現(xiàn)錯誤或由于某種原因而被其它線程強行終止。

多線程OS中的進程

在多線程OS中，進程是作為擁有系統(tǒng)資源的基本單位，通常的進程都包含多個線程并為它們提供資源，但此時的進程就不再作為一個執(zhí)行的實體。 多線程OS中的進程有以下屬性：
(1) 作為系統(tǒng)資源分配的單位。
(2) 可包括多個線程。
(3) 進程不是一個可執(zhí)行的實體。